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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur gemeinsamen Bestimmung eines Drehmoments und Lenkwinkels, insbesondere in einem Kraftfahrzeug.
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In Kraftfahrzeugen werden unter anderem so genannte elektromechanische Lenksysteme eingesetzt, durch welche ein Kraftfahrzeugführer während verschiedener Lenkmanöver unterstützt wird. Hierzu erzeugt eine Elektromaschine (Servomotor) ein Unterstützungsmoment, welches zusätzlich zu einem durch den Kraftfahrzeugführer aufgebrachten Handmoment auf z. B. eine Zahnstange des elektromechanischen Lenksystems wirkt.
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Im Betrieb eines elektromechanischen Lenksystems kann es notwendig sein, das Handmoment und auch einen Lenkwinkel zu bestimmen.
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Es sind Systeme bekannt, die ein Lenkwinkel aus einem aktuellen Winkel eines Rotors der Elektromaschine, einem Umdrehungszähler des Rotors und der mechanischen Übersetzung vom Rotor der Elektromaschine zur Lenksäule bestimmen. Ein Rotorlagesensor zur Erfassung einer Rotorlage weist hierbei in der Regel eine Winkelperiodizität von 360° bezogen auf eine Rotation des Rotors auf. Da jedoch eine Rotation der Lenksäule um mehrere Grad aufgrund des Übersetzungsverhältnisses zu mehreren vollständigen Umdrehungen des Rotors führen kann, wird zusätzlich der Umdrehungszähler zur Bestimmung des resultierenden Lenkwinkels benötigt. Hierbei besteht die Problematik, dass nur Lenkwinkeländerungen, nicht jedoch ein absoluter Lenkwinkel bestimmt werden kann. Zur Bestimmung des absoluten Lenkwinkels ist regelmäßig notwendig, eine absoluten Lenkwinkel einmalig oder initial, z. B. nach einer Betätigung der Zündung, zu bestimmen, wobei auf Grundlage dieses absoluten Lenkwinkels und der erfassbaren Lenkwinkeländerungen dann ein aktueller, absoluter Lenkwinkel bestimmbar ist.
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Da auch während des Fahrzeugzustandes „Zündung-Aus” die Lenksäule z. B. mittels Betätigung eines Lenkrades bewegt werden kann, ist in der Regel eine zyklische Auswertung von Sensorsignalen des Umdrehungszählers notwendig, um eine korrekte resultierende Position der Lenksäule nicht während des Fahrzeugzustandes „Zündung-Aus” zu verlieren. Aufgrund der vorhergehend erwähnten Übersetzung vom Rotor zur Lenksäule ist es jedoch erforderlich, die Zeitspanne zwischen zwei aufeinander folgenden Erfassungszeitpunkten im Fahrzeugzustand „Zündung-Aus” sehr kurz zu wählen, um eine Lenkwinkeländerung in diesem Fahrzeugzustand rechtzeitig detektieren zu können.
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Auch bei Spannungsausfällen im Kraftfahrzeug, insbesondere bei so genannten Klemme-30-Verlusten, kann es erforderlich sein, eine Vorrichtung zur Bestimmung des Lenkwinkels, beispielsweise ein Lenkungssteuergerät, neu zu initialisieren. Bei einer Initialisierung wird, wie vorhergehend erläutert, zumindest ein initialer absoluter Lenkwinkel ermittelt, der zusammen mit folgenden Lenkwinkeländerungen dann zur Bestimmung eines absoluten Lenkwinkels dient. Eine solche Initialisierung kann beispielsweise in Abhängigkeit einer so genannten Index-Position an der Lenkwelle durchgeführt werden. Der Index-Position ist hierbei ein vorbekannter absoluter Lenkwinkel zugeordnet.
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Beispielsweise kann eine Index-Position mittels eines an der Lenkwelle angeordneten Magneten bestimmt werden, wobei ein Hall-Sensor derart im Lenksystem angeordnet ist, dass er das Magnetfeld des Magneten detektiert, falls dieses in den Erfassungsbereich des Hall-Sensors eintritt. Hierbei ist der Magnet derart an der Lenkwelle angeordnet, dass sein Magnetfeld bei einem vorbekannten oder vorab bestimmten absoluten Lenkwinkel von dem Hall-Sensor erfassbar ist, der dann ein so genanntes Index-Signal erzeugen kann.
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Der zusätzliche Magnet und der zusätzliche Hall-Sensor benötigen hierbei zusätzlichen Bauraum und verursachen zusätzliche Kosten.
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Weiter sind Sensoranordnungen zur gemeinsamen Bestimmung eines Drehmoments und eines Lenkwinkels bekannt.
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Die
DE 10 2007 059 361 A1 offenbart eine Sensoranordnung zur Messung eines an eine Welle angreifenden Drehmoments, wobei die Welle einen ersten und einen zweiten Wellenabschnitt aufweist und diese beiden Wellenabschnitte gegeneinander verdrehbar sind, mit wenigstens einem auf dem ersten Wellenabschnitt angeordneten magnetischen Encoder und einem auf dem zweiten Wellenabschnitt angeordneten Stator, wobei der Stator zwei Statorelemente mit jeweils abragenden Fingern aufweist und den Statorelementen jeweils oder gemeinsam ein Flusskonzentrator zugeordnet ist, welcher das zu erfassende, durch den magnetischen Encoder erzeugte, magnetische Feld mindestens einem Magnetfeldsensorelement direkt oder indirekt zuführt, wobei der mindestens eine Flusskonzentrator einen Ring oder Ringausschnitt umfasst und im Wesentlichen im radialen Außenbereich zu wenigstens einem Statorelement angeordnet und über einen Luftspalt mit diesem magnetisch gekoppelt ist. Hierbei offenbart die Druckschrift, dass die Sensoranordnung mindestens zwei Magnetfeldsensorelemente aufweist, wobei ein Magnetfeldsensorelement zur Erfassung des Drehmoments und das andere Magnetfeldsensorelement zur Erfassung eines relativen Verdrehwinkels zwischen den beiden Wellenabschnitten dient. Zusätzlich weist ein magnetischer Encoder mindestens zwei Encoderspuren auf, wobei eine erste Encoderspur dem ersten Magnetfeldsensorelement und eine zweite Encoderspur dem zweiten Magnetfeldsensorelement zugeordnet ist. Es ergibt sich nachteilig, dass separate Magnetfeldsensoren zur jeweiligen Bestimmung von Drehmoment und Lenkwinkel benötigt werden.
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Die
WO 2005/068962 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Bestimmen eines auf eine Welle ausgeübten Drehmoments, wobei die Welle einen ersten Wellenabschnitt und einen zweiten Wellenabschnitt aufweist und die beiden Wellenabschnitte gegeneinander verdrehbar sind, mit einem den ersten Wellenabschnitt umgebenden und mit diesem verbundenen Multipol-Magnetring und einem am zweiten Wellenabschnitt befestigten Statorhalter, wobei am Statorhalter zwei Statorelemente befestigt sind und jedes Statorelement in axialer oder radialer Richtung abragende Finger aufweist, die gleichmässig zumindest über einen Teil des Umfangs verteilt angeordnet sind und zwischen sich Lücken aufweisen, wobei den Fingern des einen Statorelements und den Finger des anderen Statorelements der Magnetring zugeordnet ist, wobei auf einem der beiden Wellenabschnitte ein zweiter Magnetring angeordnet ist und diesem Magnetring zumindest ein Magnetsensor zugeordnet ist. Die Druckschrift offenbart, dass mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Absolutwinkel einer Lenkwelle und gleichzeitig das auf die Lenkwelle ausgeübte Drehmoment auf magnetische Weise gemessen werden kann. Hierzu lehrt die Druckschrift jedoch Sensoren zur Ermittlung des aufgebrachten Drehmoments und davon verschiedene Sensoren zur Ermittlung des Lenkwinkels, die jeweils unterschiedlichen Magnetringen zugeordnet sind. Auch hier ergibt sich nachteilig, dass separate Sensoren zur jeweiligen Bestimmung von Drehmoment und Lenkwinkel benötigt werden.
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Es stellt sich das technische Problem, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung zur Bestimmung eines Drehmoments und Lenkwinkels zu schaffen, die eine gemeinsame Bestimmung von Drehmoment und Lenkwinkel ermöglichen, wobei keine separaten Sensoren für die jeweilige Bestimmung von Drehmoment und Lenkwinkel notwendig sind.
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Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 11. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Vorgeschlagen wird eine Vorrichtung zur gemeinsamen Bestimmung eines Drehmoments und Lenkwinkels. Das Drehmoment ist auf eine Welle aufbringbar, beispielsweise eine Lenkwelle oder Lenksäule eines Lenksystems eines Kraftfahrzeugs. Hierbei kann das Drehmoment ein auf eine Lenkhandhabe, beispielsweise ein Lenkrad, aufgebrachtes Handmoment eines Kraftfahrzeugführers repräsentieren. Die Welle weist einen ersten und einen zweiten Wellenabschnitt auf. Hierbei kann der erste Wellenabschnitt auch als Eingangswelle und der zweite Wellenabschnitt auch als Ritzelwelle bezeichnet werden oder auch umgekehrt.
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Der erste und der zweite Wellenabschnitt sind relativ zueinander verdrehbar. An dem ersten Wellenabschnitt, beispielsweise auf dem oder um den ersten Wellenabschnitt, ist mindestens ein erstes Mittel zur Erzeugung eines ersten Magnetfeldes angeordnet, beispielsweise ein multipolarer Magnetring, der beispielsweise 8 Polpaare aufweist, die entlang des Umfangs des Magnetrings angeordnet sind.
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An dem zweiten Wellenabschnitt kann mindestens ein Stator angeordnet sein, wobei der Stator Mittel zur Flussleitung des ersten Magnetfeldes umfassen kann. Beispielsweise kann, wie in der
WO 2005/068962 A1 beschrieben, der Stator einen Statorhalter umfassen, wobei am Statorhalter zwei Statorelemente befestigt sind und jedes Statorelement in axialer oder radialer Richtung abragende Finger aufweist, die gleichmässig zumindest über einen Teil des Umfangs verteilt angeordnet sind und zwischen sich Lücken aufweisen. Weiter kann den Fingern des einen Statorelements und den Fingern des anderen Statorelements der vorhergehend beschriebene multipolare Magnetring zugeordnet sein. Die Statorelemente dienen hierbei einer Leitung des von dem Magnetring erzeugten magnetischen Feldes.
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Die Vorrichtung umfasst einen ersten Sensor und mindestens einen weiteren Sensor zur Erfassung eines Magnetfeldes, insbesondere einer Stärke des Magnetfeldes. Auch kann eine Richtung oder Orientierung des Magnetfeldes durch die Sensoren erfasst werden. Der erste Sensor weist einen ersten Erfassungsbereich und der mindestens eine weitere Sensor einen weiteren Erfassungsbereich auf. Die Sensoren können beispielsweise Hall-Sensoren sein. Auch können die Sensoren weitere dem Fachmann bekannte Sensoren zur Erfassung eines Magnetfelds bzw. Magnetfeldorientierung, beispielsweise magnetoresitive Sensoren sein.
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Mittels des ersten und des mindestens einen weiteren Sensors ist zumindest ein Teil des ersten Magnetfeldes erfassbar, falls der erste und der zweite Wellenabschnitt relativ zueinander verdreht sind. Hierbei ist das erste Magnetfeld oder ein Teil davon in gleichem Maße, also zumindest mit gleichem Betrag aber gegebenenfalls mit unterschiedlicher Richtung, von dem ersten als auch dem weiteren Sensor erfassbar. Hierbei kann das erste Magnetfeld über Mittel zur Flussleitung in die Erfassungsbereiche der Sensoren geleitet werden. Auch können Mittel zur Flusskonzentration, beispielsweise Flusskonzentratoren, bei der Flussleitung verwendet werden. Hierbei wird ein Teil des ersten Magnetfelds von den Sensoren nur dann detektiert, falls eine relative Verdrehung des ersten und des zweiten Wellenabschnitts vorliegt. Liegt keine derartige Verdrehung vor, so tritt das erste Magnetfeld nicht in den Erfassungsbereichen der Sensoren ein. In Abhängigkeit des ersten Magnetfeldes und der hieraus resultierenden Sensorsignale kann hierbei also ein auf die Welle aufgebrachtes Drehmoment, beispielsweise mittels einer Auswerteeinrichtung, bestimmt werden.
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Erfindungsgemäß ist an dem ersten Wellenabschnitt oder dem zweiten Wellenabschnitt, beispielsweise auf dem oder um den Wellenabschnitt, mindestens ein Mittel zur Erzeugung eines weiteren Magnetfelds angeordnet. Mittels des ersten und des mindestens einen weiteren Sensors ist zumindest ein Teil des weiteren Magnetfeldes oder ein aus einer Überlagerung zumindest eines Teils des ersten und zumindest eines Teils des weiteren Magnetfeldes resultierendes Magnetfeld erfassbar. Weiter ist, z. B. mittels einer Auswerteeinrichtung in Abhängigkeit entweder des von dem ersten Sensor erfassten oder des von dem mindestens einen weiteren Sensor erfassten Magnetfeldes der Lenkwinkel und in Abhängigkeit des von dem ersten Sensor erfassten und des von dem mindestens einen weiteren Sensor erfassten Magnetfeldes das Drehmoment bestimmbar ist.
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Das weitere Magnetfeld ist hierbei also unabhängig von einer relativen Verdrehung des ersten und des zweiten Wellenabschnitts von dem ersten und dem weiteren Sensor erfassbar. Hierbei ist das erste Magnetfeld oder ein Teil davon in gleichem Maße, also zumindest mit gleichem Betrag, gegebenenfalls jedoch mit unterschiedlicher Richtung, von dem ersten als auch dem weiteren Sensor erfassbar. Allerdings kann das weitere Magnetfeld von dem ersten und dem weiteren Sensor abhängig von einer Verdrehung des ersten Wellenabschnitts erfassbar sein, falls das Mittel zur Erzeugung des weiteren Magnetfeldes an dem ersten Wellenabschnitt angeordnet ist und der erste Wellenabschnitt derart verdreht ist, dass die Erfassungsbereiche des ersten und des weiteren Sensors zumindest einen Teil des weiteren Magnetfeldes erfassen können. Auch kann das weitere Magnetfeld von dem ersten und dem weiteren Sensor abhängig von einer Verdrehung des zweiten Wellenabschnitts erfassbar sein, falls das Mittel zur Erzeugung des weiteren Magnetfeldes an dem zweiten Wellenabschnitt angeordnet ist und der zweite Wellenabschnitt derart verdreht ist, dass die Erfassungsbereiche des ersten und des weiteren Sensors zumindest einen Teil des weiteren Magnetfeldes erfassen können.
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Somit erfasst der Erfassungsbereich des ersten Sensors als auch der Erfassungsbereich des mindestens einen weiteren Sensors zumindest einen Teil des weiteren Magnetfelds unabhängig von der beschriebenen relativen Verdrehung. Tritt keine relative Verdrehung auf, so erfassen die Sensoren ein Magnetfeld, welches Anteile des weiteren, nicht jedoch des ersten, Magnetfeldes umfassen kann. Tritt eine relative Verdrehung auf, so erfassen die Sensoren ein Magnetfeld, welches sowohl Anteile des weiteren als auch des ersten Magnetfeldes umfassen kann. Das aus Anteilen des ersten und des weiteren Magnetfeldes bestehende Magnetfeld wird auch als resultierendes Magnetfeld bezeichnet.
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Das weitere Magnetfeld, beispielsweise eine Stärke des weiteren Magnetfeldes, kann einen vorbestimmten Zusammenhang, z. B. einen funktional beschreibbaren Zusammenhang zu einer absoluten Verdrehung des ersten oder des zweiten Wellenabschnitts aufweisen, je nachdem an welchem Wellenabschnitt das Mittel zur Erzeugung des weiteren Magnetfeldes angeordnet ist. Somit kann ein vorbestimmter Zusammenhang zwischen einer Verdrehung des Wellenabschnitts und, falls eine Beziehung zwischen dieser Verdrehung und einem absoluten Lenkwinkel vorbekannt ist, diesem absoluten Lenkwinkel und dem weiteren Magnetfeld, beispielsweise einer Stärke des weiteren Magnetfeldes, bestehen.
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Mittels einer Auswerteeinrichtung, die auch Teil der vorgeschlagenen Vorrichtung sein kann, kann in Abhängigkeit entweder des von dem ersten oder des von dem mindestens einen weiteren Sensor erfassten Magnetfelds, welches auch ein resultierendes Magnetfeld sein kann, dann ein absoluter Lenkwinkel bestimmt werden. Beispielsweise kann das Mittel zur Erzeugung des weiteren Magnetfeldes, wie nachfolgend näher beschrieben, ein von den Sensoren erfassbares weiteres Magnetfeld mit einer vorbestimmten Stärke nur dann erzeugen, falls der erste oder der zweite Wellenabschnitt um einen vorbestimmten Winkel oder einen Winkel, der innerhalb eines vorbestimmten Winkelbereichs liegt, verdreht ist. Auch kann das Mittel zur Erzeugung des weiteren Magnetfeldes derart an dem ersten oder zweiten Wellenabschnitt angeordnet sein, dass das weitere Magnetfeld von den Sensoren nur dann erfasst wird, falls der erste oder der zweite Wellenabschnitt um einen vorbestimmten Winkel oder einen Winkel, der innerhalb eines vorbestimmten Winkelbereichs liegt, verdreht ist. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise in Abhängigkeit des entweder von dem ersten oder des zweiten Sensors erzeugten Signals die Verdrehung des ersten oder zweiten Wellenabschnitts um den vorhergehend beschriebenen Winkel detektiert werden. Ist eine Beziehung zwischen dem vorbestimmten Winkel oder vorbestimmten Winkelbereich und dem absoluten Lenkwinkel vorbekannt, beispielsweise durch Vorversuche ermittelt worden, so kann in Abhängigkeit des entweder von dem ersten oder des zweiten Sensors erzeugten Signals eine Index-Position, d. h. ein initialer absoluter Lenkwinkel, bestimmt werden.
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Auch kann, wie ebenfalls nachfolgend näher beschrieben, ein von den Sensoren erfassbares weiteres Magnetfeld mit einer zur Verdrehung des ersten oder des zweiten Wellenabschnitts proportionalen Stärke erzeugt werden. Auch kann das Mittel zur Erzeugung des weiteren Magnetfeldes derart an dem ersten oder zweiten Wellenabschnitt angeordnet sein, dass die Sensoren das weitere Magnetfeld mit einer zur Verdrehung des ersten oder des zweiten Wellenabschnitts proportionalen Stärke erfassen. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise in Abhängigkeit des entweder von dem ersten oder des zweiten Sensors erzeugten Signals die Verdrehung des ersten oder zweiten Wellenabschnitts nicht nur an vorbestimmten einzelnen Winkeln oder in vorbestimmten einzelnen Winkelbereichen sondern für jeden beliebigen Winkel der Verdrehung bestimmt werden. Ist eine Beziehung zwischen den Winkeln der Verdrehung und dem absoluten Lenkwinkel vorbekannt, beispielsweise durch Vorversuche ermittelt worden, so kann in Abhängigkeit des entweder von dem ersten oder des zweiten Sensors erzeugten Signals für jeden Winkel einer Verdrehung ein absoluter Lenkwinkel bestimmt werden.
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Weiter kann, z. B. mittels der vorhergehend beschriebenen Auswerteeinrichtung, in Abhängigkeit des von dem ersten Sensor und des von dem mindestens einen weiteren Sensor erfassten Magnetfeldes das Drehmoment bestimmt werden. Hierzu ist ein Anteil des ersten Magnetfeldes, der von dem ersten und dem zweiten Sensor in gleichem Maße erfasst wird, falls eine relative Verdrehung vorliegt, aus den Sensorsignalen des ersten und des weiteren Sensors zu bestimmen. Hierbei kann beispielsweise berücksichtigt werden, in welcher Art sich das weitere Magnetfeld oder ein Anteil davon dem ersten Magnetfeld überlagert. Diese Art kann beispielsweise in Abhängigkeit einer Anordnung des Mittels zur Erzeugung des weiteren Magnetfeldes, der Anordnung und Ausrichtung des ersten und des weiteren Sensors und weiteren konstruktiven Gegebenheiten bestimmt werden. Wie nachfolgend näher beschrieben, kann der Anteil des ersten Magnetfeldes vorzugsweise durch eine Mittelwertbildung bestimmt werden.
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Insgesamt ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass sowohl ein Drehmoment als auch ein absoluter Lenkwinkel durch Auswertung der gleichen Sensorsignale gemeinsam bestimmt werden können, die von denselben und nicht von separaten Sensoren erzeugt werden. Dies reduziert einen Bauraumbedarf und Herstellungskosten einer solchen Vorrichtung.
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In einer weiteren Ausführungsform überlagert sich das weitere Magnetfeld oder ein Teil davon dem von dem ersten Sensor erfassbaren ersten Magnetfeld oder einem Teil davon additiv. Weiter überlagert sich das weitere Magnetfeld oder der Teil davon dem von dem weiteren Sensor erfassbaren ersten Magnetfeld oder dem Teil davon subtraktiv. Ein additives Überlagern bedeutet hierbei, dass sich beim Überlagern eine Stärke des weiteren Magnetfeldes zu der Stärke des ersten Magnetfeldes addiert. Ein subtraktives Überlagern bedeutet hierbei, dass beim Überlagern die Stärke des weiteren Magnetfeldes von der Stärke des ersten Magnetfeldes subtrahiert wird. in diesem Fall kann der Anteil des ersten Magnetfeldes in Abhängigkeit eines Mittelwertes eines Signals des ersten Sensors und eines Signals des weiteren Sensors bestimmt werden.
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Hierbei ist ein Vorzeichen der resultierenden Stärke zu beachten.
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Auch können der erste Sensor und der weitere Sensor derart angeordnet sein, dass der erste Sensor das erste Magnetfeld oder einen Anteil davon in einer ersten Richtung erfasst. Der zweite Sensor erfasst ebenfalls das erste Magnetfeld oder den Anteil davon, jedoch in einer der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung. Somit erzeugen der erste und der weitere Sensor jeweils Sensorsignale, die vom Betrag her gleich, vom Vorzeichen jedoch unterschiedlich sind. Dazu weisen die beiden Sensoren beispielsweise entgegengesetzte Kennlinien auf, d. h. der eine Sensor liefert den Maximalwert bei maximalem positivem Moment und der weitere Sensor den Minimalwert. Die mechanisch entgegengesetzte Anordnung dient insbesondere der funktionalen Sicherheit, um „common cause”-Fehler zu reduzieren.
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Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine einfache Bestimmung des Anteils des ersten Magnetfeldes und somit des Drehmoments in Abhängigkeit der von dem ersten und dem weiteren Sensor erzeugten Signale.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung Mittel zur Flussleitung des weiteren Magnetfeldes. Die Mittel zur Flussleitung sind derart ausgebildet und angeordnet, dass zumindest ein Teil des weiteren Magnetfelds in gleichem Maße, also zumindest mit gleicher Stärke, gegebenenfalls jedoch mit unterschiedlicher Richtung, in den Erfassungsbereich des ersten Sensors und des mindestens einen weiteren Sensors geleitet wird.
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Beispielsweise können die Mittel zur Flussleitung an einem Sensorgehäuse befestigt sein, welches ortsfest bezüglich des Lenksystems ist und sich daher nicht mit der Welle oder deren Abschnitten verdreht. Das Sensorgehäuse kann hierbei auch den vorhergehend beschriebenen ersten und weiteren Sensor umfassen.
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Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine vereinfachte Konstruktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung, da die Mittel zur Erzeugung des weiteren Magnetfeldes nicht derart an dem ersten oder zweiten Wellenabschnitt befestigt werden müssen, dass das weitere Magnetfeld direkt von dem ersten und dem weiteren Sensor erfassbar ist.
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In einer weiteren Ausführungsform umfassen die Mittel zur Flussleitung des weiteren Magnetfeldes ein Sammelabschnitt und einen ersten und zweiten Zuleitungsabschnitt. Der Sammelabschnitt kann beispielsweise als Sammelschiene ausgebildet sein. Der Sammelabschnitt und die Zuleitungsabschnitte sind hierbei magnetisch leitend verbunden und bestehen vorzugsweise aus magnetisch leitfähigem Material, beispielsweise aus ferromagnetischem Material.
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Das weitere Magnetfeld oder ein Teil davon wird von dem Mittel zur Erzeugung des weiteren Magnetfeldes über den Sammelabschnitt und den ersten Zuleitungsabschnitt in den Erfassungsbereich des ersten Sensors geleitet. Analog wird das weitere Magnetfeld oder der Teil davon von dem Mittel zur Erzeugung des weiteren Magnetfeldes über den Sammelabschnitt und den zweiten Zuleitungsabschnitt in den Erfassungsbereich des zweiten Sensors geleitet.
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Der Sammelabschnitt kann beispielsweise das Mittel zur Erzeugung des weiteren Magnetfeldes überragen.
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Hierdurch ergibt sich eine besonders einfache konstruktive Ausgestaltung des Mittels zur Flussleitung, die das weitere Magnetfeld oder einen Teil davon sowohl in den Erfassungsbereich des ersten also auch in den Erfassungsbereich des weiteren Sensors leiten.
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In einer weiteren Ausführungsform sind die Mittel zur Flussleitung derart ausgebildet und angeordnet, dass sich das weitere Magnetfeld oder ein Teil davon auf das von dem ersten Sensor erfassbare erste Magnetfeld und das von dem weiteren Sensor erfassbare erste Magnetfeld als gegensinniges Differenzsignal überlagert. Weist also beispielsweise der erste Sensor eine positive Kennlinie und der weitere Sensor eine negative Kennlinie auf, so wird das weitere Magnetfeld auf das erste Magnetfeld jeweils addiert oder subtrahiert. Sind also beispielsweise das erste Magnetfeld des ersten Sensors und das erste Magnetfeld des weiteren Sensors betragsmäßig gleich groß, weisen aber unterschiedliche Vorzeichen auf, so bewirkt das weitere Magnetfeld eine betragsmäßige Spreizung der resultierenden Magnetfelder des ersten und des weiteren Sensors, was eine einfache Unterscheidung der Wirkungen des ersten Magnetfeldes von den Wirkungen des weiteren Magnetfeldes ermöglicht.
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Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine besonders einfache konstruktive Ausgestaltung der Anordnung, die eine einfache Bestimmung des ersten Magnetfeldes oder dessen Anteil in Abhängigkeit der von dem ersten und dem weiteren Sensor erzeugten Sensorsignale durch Mittelwertbildung ermöglicht.
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In einer weiteren Ausführungsform weist das weitere Magnetfeldes bezogen auf eine absolute Verdrehung des ersten oder des zweiten Wellenabschnitts zumindest für einen Winkel oder einen Winkelbereich der absoluten Verdrehung eine Stärke auf, die von einer Stärke bei den verbleibenden Winkeln oder in den verbleibenden Winkelbereichen verschieden ist. Ist das Mittel zur Erzeugung des weiteren Magnetfeldes an dem ersten Wellenabschnitt angeordnet, so ändert sich eine Stärke des von dem ersten und dem weiteren Sensor erfassten Magnetfeldes, falls der erste Wellenabschnitt um den vorbestimmten Winkel oder einen Winkel aus dem vorbestimmten Winkelbereich verdreht wird. Hierbei kann sich die Stärke des von dem ersten und dem weiteren Sensor erfassten Magnetfeld z. B. rampenartig, gausskurvenartig, sprungartig oder sägezahnartig mit einer Winkeländerung bei Annäherung an oder Entfernung von dem vorbestimmten Winkel oder Winkelbereich des ersten Wellenabschnitts ändern, beispielsweise ansteigen und/oder abfallen. Der vorbestimmte Winkelbereich ist vorzugsweise klein, beispielsweise als 3 Grad bezogen auf die Verdrehung des ersten Wellenabschnitts, zu wählen.
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Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass das an einem vorbestimmten Winkel oder in dem vorbestimmten Winkelbereich von entweder dem ersten oder dem weiteren Sensor erfasste Signal als Index-Signal dienen kann, falls eine Zuordnung des vorbestimmten Winkels oder Winkelbereichs zu einem absoluten Lenkwinkel oder Lenkwinkelbereich, beispielsweise durch Vorversuche, vorbekannt ist.
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Auch kann das weitere Magnetfeld bezogen auf eine absolute Verdrehung des ersten oder des zweiten Wellenabschnitts zumindest für mehrere Winkel oder mehrere Winkelbereich der absoluten Verdrehung eine Stärke aufweisen, die von einer Stärke der verbleibenden Winkel oder Winkelbereiche verschieden ist. Ist das Mittel zur Erzeugung des weiteren Magnetfeldes an dem ersten Wellenabschnitt angeordnet, so ändert sich eine Stärke des von dem ersten und dem weiteren Sensor erfassten Magnetfeldes, falls der erste Wellenabschnitt um einen dieser vorbestimmten Winkel oder einen Winkel aus diesen vorbestimmten Winkelbereichen verdreht wird. Hierbei kann sich die Stärke des von dem ersten und dem weiteren Sensor erfassten Magnetfeld jeweils z. B. rampenartig, gausskurvenartig, sprungartig oder sägezahnartig mit einer Winkeländerung bei Annäherung an oder Entfernung von diesen Winkeln oder diesen Winkelbereichen ändern. Vorzugsweise ändert sich die Stärke des von dem ersten und dem weiteren Sensor erfassten Magnetfeld periodisch bezogen auf die Winkeländerung des ersten Wellenabschnitts.
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Gleiches gilt in analoger Weise, falls das Mittel zur Erzeugung des weiteren Magnetfeldes an dem zweiten Wellenabschnitt angeordnet ist.
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Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass wiederholt, insbesondere periodisch, Index-Signale erzeugbar sind.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das Mittel zur Erzeugung des weiteren Magnetfelds als Magnetring ausgebildet, wobei der Magnetring entlang seines Umfangs zumindest zwei verschiedene Teilbereiche aufweist, wobei eine Stärke des Magnetfeldes beider Teilbereiche voneinander verschieden ist. Der Magnetring kann hierbei an dem ersten oder dem zweiten Wellenabschnitt angeordnet sein. Die Teilbereiche bezeichnen hierbei Ringsegmente. Ein Ringsegment kann hierbei einen vorbestimmten Mittelpunktswinkel aufweisen, der eine Länge des Ringsegments entlang des Umfangs des Magnetrings festlegt. Der Magnetring kann hierbei ein geschlossener oder offener Magnetring sein. Ein offener Magnetring bezeichnet einen Ring, der ein- oder mehrmalig unterbrochen ist, also Lacken aufweist. Der Magnetring kann hierbei z. B. magnetisierte Teilbereiche und nicht magnetisierte Teilbereiche, die z. B. durch die vorhergehend erwähnten Lücken ausgebildet sind, aufweisen. Ist der Magnetring um den ersten oder zweiten Wellenabschnitt angeordnet, so können magnetisierte Teilbereiche oder Ringsegmente einen vorbestimmten Mittelpunktswinkel, z. B. 1 Grad bis 20 Grad, vorzugsweise 10 Grad bis 15 Grad, weiter vorzugsweise 14 Grad, bezogen auf den von dem Wellenabschnitt gebildeten Vollkreis, aufweisen. Auch können magnetisierte Teilbereiche periodisch im Wechsel mit nicht magnetisierten Teilbereichen entlang des Umfangs angeordnet sein.
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Je nach Anzahl und Anordnung der magnetisierten Teilbereiche bezüglich der nicht magnetisierten Teilbereiche ergibt sich hierdurch in vorteilhafter Weise eine einfache konstruktive Ausgestaltung der Vorrichtung, die eine einmalige oder wiederholte, insbesondere periodische, Erzeugung und Detektion eines Index-Signals bei Verdrehung des ersten oder des zweiten Wellenabschnitts ermöglicht, falls eine Zuordnung der vorbestimmten Teilbereiche zu einem absoluten Lenkwinkel oder Lenkwinkelbereich, beispielsweise durch Vorversuche, vorbekannt ist.
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In einer alternativen Ausführungsform ist eine Stärke des weiteren Magnetfeldes proportional zu einer absoluten Verdrehung des ersten oder des zweiten Wellenabschnitts. Beispielsweise kann eine Stärke des weiteren Magnetfeldes linear mit einer zunehmenden Verdrehung, also einem steigenden Winkel der Verdrehung, zunehmen. Die Zunahme kann hierbei für einen Teil einer Vollumdrehung oder für die gesamte Vollumdrehung des ersten oder zweiten Wellenabschnitts erfolgen. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass einem Winkel der Verdrehung des ersten oder des zweiten Wellenabschnitts eine eindeutige Stärke des weiteren Magnetfeldes zugeordnet ist. Somit lässt sich aus der Stärke des weiteren Magnetfeldes bei jeder beliebigen, vorliegenden Verdrehung der Winkel der Verdrehung eindeutig bestimmen. Somit kann ein Wert eines absoluten Lenkwinkels jederzeit und für jeden vorliegenden Lenkwinkel bestimmt werden, falls der proportionale Zusammenhang als auch eine Zuordnung mindestens eines Winkels der Verdrehung des ersten oder zweiten Wellenabschnitts zu einem absoluten Lenkwinkel, beispielsweise durch Vorversuche, vorbekannt ist.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das weitere Mittel zur Erzeugung eines Magnetfelds ein abgeschrägter Magnetring. Hierbei bezeichnet ein abgeschrägter Magnetring einen Ring, der an einem Ende eine Schnittfläche aufweist, wobei ein Normalenvektor der Schnittfläche einen Winkel mit einer zentralen Mittelpunktsachse des Magnetrings einschließt, wobei der Winkel größer als 0 Grad, jedoch kleiner als 90 Grad ist. Wird der Magnetring als Magnetzylinder bezeichnet, so ist z. B. die Deckelfläche des Zylinders nicht senkrecht zu einer zentralen Längs- oder Rotationsachse des Zylinders sondern zu dieser mit einem vorbestimmten Winkel geneigt. Die zentrale Längs- oder Rotationsachse nimmt also einen Winkel, der kleiner als 90 Grad, jedoch größer als 0 Grad ist, mit der Deckelfläche ein.
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Der Magnetring besteht hierbei vorzugsweise aus einheitlich magnetisiertem Material.
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Auch in dieser Ausführungsform kann der Magnetring geschlossen oder offen sein. Ist der Magnetring offen, so weist der offene Bereich eine Magnetstärke von Null auf.
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Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine einfache konstruktive Ausgestaltung der Vorrichtung, die einen proportionalen Zuwachs einer Stärke des weiteren Magnetfelds zumindest in einem Teilbereich einer Vollumdrehung des ersten oder des zweiten
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Wellenabschnitts mit zunehmender Verdrehung des ersten oder des zweiten Wellenabschnitts ermöglicht.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der Magnetring mittels einer Untersetzungsvorrichtung mechanisch mit dem ersten oder dem zweiten Wellenabschnitt gekoppelt ist. Die Untersetzungsvorrichtung kann hierbei ein vorbestimmtes Untersetzungsverhältnis aufweisen. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass sich der Magnetring bei einer vollständigen Drehung des ersten oder zweiten Wellenabschnitt, je nachdem an welchem Wellenabschnitt der Magnetring angeordnet ist, nicht vollständig, sondern nur teilweise mit verdreht. Somit kann in vorteilhafter Weise ein Index-Signal oder der absolute Lenkwinkel über einen Winkelbereich der Verdrehung des ersten oder zweiten Wellenabschnitts bestimmt werden, der größer als 360 Grad ist. Entspricht z. B. der Winkel der Verdrehung des ersten oder zweiten Wellenabschnitts dem Lenkwinkel, so kann in einem Lenkwinkelbereich von z. B. –500 Grad bis 500 Grad oder –720 Grad bis 720 Grad ein Index-Signal oder der absolute Lenkwinkel bestimmt werden.
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Weiter vorgeschlagen wird ein Verfahren zur gemeinsamen Bestimmung eines Drehmoments und Lenkwinkels. Hierbei wird das Drehmoment auf eine Welle aufgebracht wird, wobei die Welle einen ersten und einen zweiten Wellenabschnitt aufweist. Der erste und der zweite Wellenabschnitt sind relativ zueinander verdrehbar. An dem ersten Wellenabschnitt ist mindestens ein erstes Mittel zur Erzeugung eines ersten Magnetfeldes angeordnet. Weiter kann an dem zweiten Wellenabschnitt mindestens ein Stator angeordnet sein, wobei der Stator Mittel zur Flussleitung des ersten Magnetfeldes umfassen kann. Ein erster Sensor und mindestens ein weiterer Sensor erfassen jeweils zumindest ein Teil des ersten Magnetfeldes, falls der erste und der zweite Wellenabschnitt relativ zueinander verdreht sind.
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Erfindungsgemäß ist an dem ersten Wellenabschnitt oder dem zweiten Wellenabschnitt mindestens ein Mittel zur Erzeugung eines weiteren Magnetfelds angeordnet, wobei der erste und der mindestens eine weitere Sensor jeweils zumindest ein Teil des weiteren Magnetfeldes oder ein aus einer Überlagerung zumindest eines Teils des ersten und zumindest eines Teils des weiteren Magnetfeldes resultierendes Magnetfeld erfassen. In Abhängigkeit entweder des von dem ersten oder des von dem mindestens einen weiteren Sensor erfassten Magnetfelds wird ein absoluter Lenkwinkel bestimmt, wobei in Abhängigkeit des von dem ersten Sensor und des von dem mindestens einen weiteren Sensor erfassten Magnetfeldes ein Drehmoment bestimmt wird.
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Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass sowohl ein Drehmoment als auch ein absoluter Lenkwinkel durch Auswertung von gleichen Sensorsignalen gemeinsam bestimmt werden können, die von denselben und nicht von separaten Sensoren erzeugt werden.
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Die Erfindung wird anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Figuren zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zur Erfassung eines Drehmoments (Stand der Technik),
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2 eine Explosionsansicht der in 1 dargestellten Vorrichtung zur Erfassung eines Drehmoments (Stand der Technik),
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3 eine Explosionsansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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4 einen schematischen Querschnitt durch eine Eingangswelle mit einem Magnetring zur Erzeugung eines weiteren Magnetfeldes,
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5 einen schematischen Querschnitt durch eine Eingangswelle mit einem weiteren Magnetring zur Erzeugung eines weiteren Magnetfeldes,
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6 eine schematische Draufsicht auf die in 3 dargestellte Vorrichtung,
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7 eine schematische Seitenansicht der in 3 dargestellten Vorrichtung,
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8 ein schematischer Verlauf von Sensorsignalen über eine zunehmende Verdrehung einer Eingangswelle und
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9 ein weiterer schematischer Verlauf von Sensorsignalen über eine zunehmende Verdrehung einer Eingangswelle.
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Nachfolgend bezeichnen gleiche Bezugszeichen Elemente mit gleichen oder ähnlichen technischen Merkmalen.
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In 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zur Erfassung eines Drehmoments gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Das Drehmoment ist auf eine Welle 1 aufbringbar, wobei die Welle einen Abschnitt einer Lenksäule eines nicht dargestellten Lenksystems eines Kraftfahrzeugs darstellt. Die Welle weist eine Eingangswelle 2 und eine Ritzelwelle 3 auf, wobei die Eingangswelle 2 einen ersten Wellenabschnitt und die Ritzelwelle 3 einen zweiten Wellenabschnitt bezeichnet. Die Eingangswelle 2 und die Ritzelwelle 3 sind relativ zueinander verdrehbar. Auf der Eingangswelle 2 ist ein multipolarer Magnetring 4 (siehe 2) angeordnet, der ein erstes Magnetfeld erzeugt. An der Ritzelwelle 3 ist mindestens ein Stator 5 angeordnet, der zwei Statorringe 6 umfasst (siehe 2). Weiter umfasst die Vorrichtung ein Sensorgehäuse 7, welches ortsfest bezüglich des Lenksystems angeordnet ist. In dem Sensorgehäuse 7 ist ein erster Sensor 8 und ein weiterer Sensor 9 (siehe 2) angeordnet, die beide als Hall-Sensoren ausgebildet sind. Mittels der Sensoren 8, 9 ist ein Magnetfeld erfassbar und in Abhängigkeit einer Stärke des erfassten Magnetfeldes ein elektrisches oder elektronisches Sensorsignal erzeugbar. Der erste Sensor 8 weist einen ersten Erfassungsbereich und der weitere Sensor 9 einen weiteren Erfassungsbereich auf. Mittels der Sensoren 8, 9 ist zumindest ein Teil des von dem multipolaren Magnetring 4 erzeugten ersten Magnetfeldes erfassbar, falls Eingangswelle 2 und Ritzelwelle 3 relativ zueinander verdreht sind. Hierbei kann eine Stärke des erfassten ersten Magnetfeldes proportional zu einer relativen Verdrehung sein.
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In 2 ist eine Explosionsansicht der in 1 dargestellten Vorrichtung zur Erfassung eines Drehmoments dargestellt. Insbesondere ist in 2 dargestellt, dass die Statorringe 6 in axialer Richtung abragende Finger aufweisen, die gleichmässig zumindest über einen Teil des Umfangs der Statorringe 6 verteilt angeordnet sind und zwischen sich Lücken aufweisen. Weiter kann den Fingern des einen Statorringes 6 und den Fingern des anderen Statorringes 6 der multipolare Magnetring 4 zugeordnet sein. Die Statorringe 6 dienen hierbei einer Leitung des von dem multipolaren Magnetring 4 erzeugten ersten Magnetfeldes.
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In 3 ist eine Explosionsansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 dargestellt. Hierbei ist um die Eingangswelle 2 ein weiterer Magnetring 11 angeordnet, der ein weiteres Magnetfeld erzeugt. Der weitere Magnetring 11 ist ein abgeschrägter Magnetring 11. Der weitere Magnetring 11 weist an einem Ende eine Schnittfläche 12 auf, wobei ein Normalenvektor der Schnittfläche 12 einen Winkel mit einer zentralen Mittelpunktsachse 13 des Magnetrings 11 einschließt, wobei der Winkel größer als 0 Grad, jedoch kleiner als 90 Grad ist.
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Wird der weitere Magnetring 11 als Magnetzylinder aufgefasst, so ist z. B. die Deckelfläche, die der Schnittfläche 12 entspricht, des Zylinders nicht senkrecht zu einer zentralen Längs- oder Rotationsachse, die der vorhergehend beschriebenen Mittelpunktsachse 13 entspricht, des Zylinders orientiert, sondern zu dieser mit einem vorbestimmten Winkel geneigt. Die zentrale Längs- oder Rotationsachse nimmt also einen Winkel, der kleiner als 90 Grad, jedoch größer als 0 Grad ist, mit der Deckelfläche ein.
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Weiter dargestellt ist, dass die Vorrichtung 10 Mittel zur Flussleitung des weiteren Magnetfeldes umfasst. Die Mittel zur Flussleitung sind derart ausgebildet und an dem Sensorgehäuse 7 angeordnet, dass zumindest ein Teil des von dem weiteren Magnetring 11 erzeugten weiteren Magnetfelds in den Erfassungsbereich des ersten Sensors 8 und des weiteren Sensors 9 geleitet wird.
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Die Mittel zur Flussleitung des weiteren Magnetfeldes umfassen einen als Sammelschiene ausgebildeten Sammelabschnitt 14, einen ersten Zuleitungsabschnitt 15 und einen zweiten Zuleitungsabschnitt 16. Der Sammelabschnitt 14 und die Zuleitungsabschnitte 15, 16 können z. B. als Bleche, vorzugsweise Bleche aus ferromagnetischem Material, ausgebildet sein. Der Sammelabschnitt 14 ist hierbei dem weiteren Magnetring 11 zugeordnet, wobei das weitere Magnetfeld von dem weiteren Magnetring 11 über den Sammelabschnitt 14 und den ersten Zuleitungsabschnitt 15 in den Erfassungsbereich des ersten Sensors 8 und über den Sammelabschnitt 14 und den zweiten Zuleitungsabschnitt 16 in den Erfassungsbereich des weiteren Sensors 9 geleitet wird. Der Sammelabschnitt 14 ragt im zusammengesetzten Zustand der Vorrichtung 10 über den weiteren Magnetring 11.
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Mittels des ersten und des weiteren Sensors 8, 9 ist somit zumindest ein Teil des weiteren Magnetfeldes oder ein aus einer Überlagerung zumindest eines Teils des ersten und zumindest eines Teils des weiteren Magnetfeldes resultierendes Magnetfeld erfassbar.
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Wie in den 6 und 7 näher dargestellt, sind der Sammelabschnitt 14 und die Zuleitungsabschnitte 15, 16 derart ausgebildet und an dem Sensorgehäuse 7 angeordnet, dass sich das weitere Magnetfeld dem von dem ersten Sensor 8 erfassbaren ersten Magnetfeld additiv und dem von dem weiteren Sensor 9 erfassbaren ersten Magnetfeld subtraktiv überlagert.
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Bei einer Verdrehung der Eingangswelle 2 dreht sich auch der weitere Magnetring 11 unter dem über den weiteren Magnetring 11 ragenden und ortsfesten Sammelabschnitt 14. Eine Stärke des von dem Sammelabschnitt 14 erfassten und weitergeleiteten Teils des weiteren Magnetfeldes wird, je nach Drehrichtung, hierbei zu- oder abnehmen. Bei dem in 3 dargestellten abgeschrägten weiteren Magnetring 11 nimmt die Stärke des von dem Sammelabschnitt 14 erfassten und weitergeleiteten Teils des weiteren Magnetfeldes bis zu einem Winkel der Verdrehung der Eingangswelle 2 von 180 Grad linear mit dem Winkel der Verdrehung zu, dann wieder bis zu einem Winkel der Verdrehung von 360 Grad ab. Somit erzeugt der weitere Magnetring eine sich proportional mit dem Winkel der Verdrehung der Eingangswelle 2 ändernde Stärke des weiteren Magnetfeldes. Repräsentiert der Winkel der Verdrehung der Eingangswelle 2 einen absoluten Lenkwinkel, so kann in Abhängigkeit der Stärke des weiteren Magnetfeldes zumindest im Bereich von 0 Grad bis 180 Grad und im Bereich von 180 Grad bis 360 Grad der absolute Lenkwinkel eindeutig bestimmt werden. Wird zusätzlich eine Einrichtung zur Bereichs- oder Übergangszählung eingesetzt, die eine Anzahl von Übergängen zwischen den Bereichen mit wachsender Stärke, z. B. der Bereich von 0 Grad bis 180 Grad, und abnehmender Stärke, z. B. der Bereich von 180 Grad bis 360 Grad, des weiteren Magnetfeldes erfasst, so kann in Abhängigkeit der erfassten Anzahl und der Stärke des weiteren Magnetfeldes der absolute Lenkwinkel eindeutig bestimmt werden.
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Hierbei kann für mindestens eine vorbestimmte Stärke des weiteren Magnetfeldes und gegebenenfalls einen Zählerstand der Anzahl ein absoluter Lenkwinkel, z. B. aus Vorversuchen, vorbekannt sein.
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In 4 ist ein schematischer Querschnitt durch eine Eingangswelle 2 mit einem weiteren Magnetring 17 zur Erzeugung eines weiteren Magnetfeldes dargestellt. Der weitere Magnetring 17 weist entlang seines Umfangs und des Umfangs der Eingangswelle 2 verschiedene Teilbereiche 18, 19 auf, wobei eine Stärke des Magnetfeldes der Teilbereiche 18, 19 voneinander verschieden ist. So weist der Magnetring 17 magnetisierte Teilbereiche 18 und nicht magnetisierte Teilbereiche 19 auf. Weiter ist dargestellt, dass ein Sammelabschnitt 14 den weiteren Magnetring 17 überragt. Die Teilbereiche 18, 19 bezeichnen hierbei Ringsegmente. Ein Ringsegment kann hierbei einen vorbestimmten Mittelpunktswinkel 20 aufweisen, der eine Länge des Ringsegments entlang des Umfangs des weiteren Magnetrings 17 festlegt. In 4 ist der weitere Magnetring 17 ein geschlossener Magnetring.
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In 5 ist im Unterschied zu 4 dargestellt, dass der weitere Magnetring 17 ein offener Magnetring ist. Dieser ist mehrmalig unterbrochen und weist Lücken 21 auf. Hierbei bilden die Lücken 21 die in 4 dargestellten nicht magnetisierten Teilbereiche 19 aus.
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Mittels des in den 4 und 5 dargestellten weiteren Magnetrings 17 kann bei einer Verdrehung der Eingangswelle 2 ein periodischer Verlauf einer Stärke des von dem Sammelabschnitt 14 erfassten und weitergeleiteten weiteren Magnetfeldes, insbesondere ein rampen- oder gausskurvenförmiger, idealerweise ein rechteckförmiger, Verlauf erzeugt werden. Die magnetisierten Teilbereiche 18 oder deren Maximum korrespondieren hierbei zu Index-Bereichen oder Index-Positionen, die in Abhängigkeit der Stärke des resultierenden Magnetfeldes einfach und in eindeutiger Weise, beispielsweise mittels Schwellwertverfahren, delektiert werden können. Ist eine Zuordnung eines absoluten Lenkwinkels zu einem solchen Index-Bereich oder einer solchen Index-Position vorbekannt, so kann ein Lenksystem in vorteilhafter Weise initialisiert werden.
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Wird zusätzlich eine Einrichtung zur Bereichs- oder Übergangszählung. eingesetzt, die eine Anzahl von Übergängen zwischen den Teilbereichen 18, 19 erfasst, so kann in Abhängigkeit der erfassten Anzahl und der Stärke des weiteren Magnetfeldes der absolute Lenkwinkel auch für weitere Teilbereiche 18 eindeutig bestimmt und somit das Lenksystem initialisiert werden.
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In 6 ist eine schematische Draufsicht auf die in 3 dargestellte Vorrichtung 10 dargestellt. Dargestellt ist der Sammelabschnitt 14, der erste Zuleitungsabschnitt 15 und der zweite Zuleitungsabschnitt 16 sowie der erste und der weitere Sensor 8, 9. Weiter dargestellt sind Flusskonzentratoren 22, die das von den Statorringen 6 erfasste erste Magnetfeld verstärken. Eine Richtung des ersten Magnetfeldes oder eines Teils davon ist durch einen Pfeil 23 dargestellt. Eine Richtung des durch den Sammelabschnitt 14 und den ersten Zuleitungsabschnitt 15 in den Erfassungsbereich des ersten Sensors 8 geleiteten weiteren Magnetfeldes oder eines Teils davon ist durch einen Pfeil 24 dargestellt. Analog ist eine Richtung des durch den Sammelabschnitt 14 und den zweiten Zuleitungsabschnitt 16 in den Erfassungsbereich des weiteren Sensors 9 geleiteten weiteren Magnetfeldes oder eines Teils davon ist durch einen Pfeil 25 dargestellt. In 6 ist ersichtlich, dass das erste Magnetfeld oder der Teil davon im Erfassungsbereich des ersten Sensors 8 von dem weiteren Magnetfeld oder des Teils davon additiv und im Erfassungsbereich des weiteren Sensors 9 subtraktiv überlagert wird.
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In 7 ist eine schematische Draufsicht auf die in 3 dargestellte Vorrichtung 10 dargestellt. Dargestellt ist hierbei nur der erste Sensor 8, der weitere Sensor 9 ist verdeckt.
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In 8 ist ein schematischer Verlauf einer Amplitude eines ersten Sensorsignals 26 eines ersten Sensors 8 und einer Amplitude eines weiteren Sensorsignals 27 eines weiteren Sensors 9 bei einer Verdrehung einer Eingangswelle 2 um einen Winkel im Bereich von 0 Grad bis 180 Grad dargestellt. Weiter dargestellt ist ein Verlauf eines Mitttelwerts 28 der Sensorsignale 26, 27. Die dargestellten Verläufe ergeben sich, wenn die in 3 dargestellte Eingangswelle 2 mit dem daran angebrachten abgeschrägten weiteren Magnetring 11 von einem Winkel von 0 Grad auf einen Winkel von 180 Grad bei einem konstanten Drehmoment von beispielsweise 2 Nm verdreht wird. Dem ersten Magnetfeld, dessen Stärke durch den Mittelwert 28 repräsentiert wird, der gleichzeitig eine Stärke des Drehmoments darstellt, wird hierbei ein in seiner Stärke im Bereich von 0 Grad bis 180 Grad anwachsendes weiteres Magnetfeld überlagert, welches durch den weiteren Magnetring 11 erzeugt wird. Da die Überlagerung in einem Erfassungsbereich des ersten Sensors 8 additiv und in einem Erfassungsbereich des weiteren Sensors 9 subtraktiv erfolgt, wächst das erste Sensorsignal 26 in seiner Amplitude bei zunehmender Verdrehung während das weitere Sensorsignal 27 in seiner Amplitude abnimmt.
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Entweder aus der Amplitude des ersten Sensorsignals 26 oder der Amplitude des weiteren Sensorsignals 27 kann ein Winkel der Verdrehung der Eingangswelle 2 eindeutig im dargestellten Bereich und somit, wie vorhergehend beschrieben, auch ein absoluter Lenkwinkel eindeutig bestimmt werden. Somit ist eine kontinuierliche Erfassung des absoluten Lenkwinkels möglich.
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Aus der Amplitude des ersten Sensorsignals 26 und der Amplitude des weiteren Sensorsignals 27 kann für jeden Winkel gleichzeitig das aufgebrachte Drehmoment durch Mittelwertbildung bestimmt werden.
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In 9 ist ein schematischer Verlauf einer Amplitude eines ersten Sensorsignals 26 eines ersten Sensors 8 und einer Amplitude eines weiteren Sensorsignals 27 eines weiteren Sensors 9 bei einer Verdrehung einer Eingangswelle 2 um einen Winkel dargestellt. Weiter dargestellt ist ein Verlauf eines Mitttelwerts 28 der Sensorsignale 26, 27. Die dargestellten Verläufe ergeben sich, wenn die in 3 dargestellte Eingangswelle 2 mit dem daran angebrachten weiteren Magnetring 17 gemäß den 4, 5 verdreht wird. Der Einfachheit halber ist hierbei dargestellt, dass ein Kraftfahrzeugführer kein Drehmoment auf die Eingangswelle 2 aufbringt. Die Verdrehung der Eingangswelle 2 kann z. B. durch weiter aufgebrachte Momente, z. B. von Rädern des Krafttahrzeugs induzierten Momenten, erzeugt werden. Dem ersten Magnetfeld, dessen Stärke durch den Mittelwert 28 repräsentiert wird, der gleichzeitig eine Stärke des Drehmoments, in diesem Fall also Null, darstellt, wird hierbei ein in seiner Stärke im Bereich von 30 Grad bis 45 Grad anwachsendes und im Bereich von 45 Grad bis 60 Grad abnehmendes weiteres Magnetfeld überlagert, welches durch den weiteren Magnetring 17, insbesondere durch einen magnetisierten Teilbereich 18, erzeugt wird. Da die Überlagerung in einem Erfassungsbereich des ersten Sensors 8 additiv und in einem Erfassungsbereich des weiteren Sensors 9 subtraktiv erfolgt, wächst das erste Sensorsignal 27 im Bereich einer Verdrehung von 30 Grad bis 45 Grad in seiner Amplitude während das weitere Sensorsignal 28 in seiner Amplitude im gleichen Bereich abnimmt. Hierbei sind die Winkelbereiche exemplarisch gewählt.
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Entweder aus dem Verlauf der Amplitude des ersten Sensorsignals 26 oder dem Verlauf der Amplitude des weiteren Sensorsignals 27 kann, z. B. mittels bekannter Schwellwertverfahren, eindeutig detektiert werden, dass ein magnetisierter Teilbereich 18 des weiteren Magnetrings 17 einen Sammelabschnitt 14 passiert hat. Ist bekannt, dass das Maximum der Amplitude des ersten Sensorsignals 26 oder das Minimum der Amplitude des weiteren Sensorsignals 27 zu dem Winkel 45 Grad der Verdrehung und somit auch zu einem vorbekannten absoluten Lenkwinkel korrespondiert, so kann dieser Winkel als Index-Winkel oder Index-Position detektiert werden.
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Aus der Amplitude des ersten Sensorsignals 26 und der Amplitude des weiteren Sensorsignals 27 kann auch bei diesem Winkel gleichzeitig das aufgebrachte Drehmoment durch Mittelwertbildung bestimmt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Welle
- 2
- Eingangswelle (erster Wellenabschnitt)
- 3
- Ritzelwelle (zweiter Wellenabschnitt)
- 4
- multipolarer Magnetring
- 5
- Stator
- 6
- Statorring
- 7
- Sensorgehäuse
- 8
- erster Sensor
- 9
- weiterer Sensor
- 10
- Vorrichtung
- 11
- weiterer Magnetring
- 12
- Schnittfläche
- 13
- Mittelpunktsachse
- 14
- Sammelabschnitt
- 15
- erster Zuleitungsabschnitt
- 16
- zweiter Zuleitungsabschnitt
- 17
- weiterer Magnetring
- 18
- magnetisierter Teilbereich
- 19
- nicht magnetisierter Teilbereich
- 20
- Mittelpunktswinkel
- 21
- Lücke
- 22
- Flusskonzentratoren
- 23
- Pfeil
- 24
- Pfeil
- 25
- Pfeil
- 26
- erstes Sensorsignal
- 27
- weiteres Sensorsignal
- 28
- Mittelwert
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007059361 A1 [0010]
- WO 2005/068962 A1 [0011, 0016]